本發(fā)明屬于材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，具體涉及一種纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料筋的快速搭接裝置及方法。
背景技術(shù)：
1、纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料筋(frp筋)以其輕量化、高強(qiáng)度、耐腐蝕及抗疲勞等綜合性能優(yōu)勢(shì)，被確立為應(yīng)對(duì)土木工程基礎(chǔ)設(shè)施氯離子侵蝕問(wèn)題的創(chuàng)新解決方案，在橋梁工程及海洋構(gòu)筑物等領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)鋼筋替代的示范性工程應(yīng)用，促使結(jié)構(gòu)服役壽命延長(zhǎng)至原基準(zhǔn)的2-3倍，并使全生命周期綜合成本降低約30％?，F(xiàn)行frp筋主要以熱固性樹(shù)脂(環(huán)氧樹(shù)脂/不飽和聚酯樹(shù)脂)為基體材料，通過(guò)纖維定向排列工藝實(shí)現(xiàn)比強(qiáng)度及彈性模量的精準(zhǔn)控制，作為混凝土結(jié)構(gòu)主筋與構(gòu)造筋可有效約束裂縫擴(kuò)展寬度。然而受限于熱固性樹(shù)脂的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)固有特性，其斷裂韌性指標(biāo)存在顯著缺陷，在0.5％至0.8％的應(yīng)變閾值區(qū)間即誘發(fā)微裂紋萌生，疊加濕熱耦合工況下的界面脫黏效應(yīng)加劇，嚴(yán)重限制了該材料在超高層建筑節(jié)點(diǎn)區(qū)域等高端工程場(chǎng)景的應(yīng)用拓展。
2、相較而言，熱塑性樹(shù)脂基體因分子鏈呈線性或支鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)且無(wú)化學(xué)鍵交聯(lián)，其熱軟化-冷卻固化過(guò)程屬于可逆物理相變，賦予熱塑性復(fù)材筋多重復(fù)合成型特性。相較于熱固性復(fù)材筋，該材料體系展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)：包括但不限于優(yōu)良的機(jī)械性能、卓越的抗沖擊強(qiáng)度、高效成型速率、增強(qiáng)的韌塑性、可循環(huán)再生特性、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕性能及優(yōu)化的倉(cāng)儲(chǔ)適應(yīng)性。基于熱塑性復(fù)材筋可重復(fù)熱加工成型的技術(shù)特征，突破傳統(tǒng)工廠預(yù)制生產(chǎn)模式限制，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)按需即時(shí)成型，顯著提升與土木工程領(lǐng)域動(dòng)態(tài)施工需求的契合度。
3、當(dāng)前復(fù)材筋搭接技術(shù)主要針對(duì)熱固性復(fù)材筋，以機(jī)械連接與膠粘連接為主，機(jī)械連接所使用金屬套筒及鉚釘螺栓存在耐腐蝕性能弱、與樹(shù)脂膠粘劑的化學(xué)結(jié)合力弱及連接時(shí)易出現(xiàn)界面滲透不均等缺點(diǎn)。而傳統(tǒng)膠粘連接多使用如環(huán)氧樹(shù)脂等熱固性樹(shù)脂，存在固化周期長(zhǎng)、濕熱環(huán)境易老化及界面化學(xué)結(jié)合力弱等缺點(diǎn)。本專利保護(hù)的熱塑性復(fù)材筋搭接裝置及搭接方法完全使用非金屬材料在高溫高壓下完成搭接，有效促進(jìn)界面分子鏈互穿結(jié)合，同時(shí)使用連續(xù)纖維進(jìn)行環(huán)向約束增強(qiáng)，進(jìn)一步提升搭接區(qū)域承載力。
4、目前，現(xiàn)有的復(fù)合材料筋搭接試件的裝置制備搭接試件存在壓力不足且無(wú)法定量、溫度難以控制和制備效率低下等缺點(diǎn)。因此，需要研發(fā)一種纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料筋的快速搭接裝置。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、基于以上不足之處，本發(fā)明提供一種纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂(frtp)復(fù)合材料筋的快速搭接裝置，具有可高效生產(chǎn)多直徑、多搭接長(zhǎng)度及多元化補(bǔ)強(qiáng)手段搭接試件的能力。
2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：一種纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料筋的搭接裝置，包括熱塑性樹(shù)脂套管、下模、上模、平板硫化機(jī)、限位圓柱、分股器、搭接直徑調(diào)節(jié)器及搭接長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器；所述下模設(shè)有定位孔用于固定限位圓柱，且設(shè)置多個(gè)搭接槽位；所述上模設(shè)有限位孔，與所述的限位圓柱配合實(shí)現(xiàn)模具裝配；所述分股器用于對(duì)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料筋進(jìn)行分股處理，搭接直徑調(diào)節(jié)器和搭接長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)搭接槽位的尺寸，以適配不同規(guī)格的復(fù)合材料筋搭接，將預(yù)處理后的復(fù)合材料筋置入搭接槽位內(nèi)，所述下模和上模合模后置于平板硫化機(jī)內(nèi)用于對(duì)復(fù)合材料筋加熱。
3、進(jìn)一步的，所述下模和上模的槽位具有可設(shè)計(jì)性與可組合性，一套模具可組合二到三種直徑的槽位，通過(guò)增加模具寬度及長(zhǎng)度，在平板硫化機(jī)尺寸范圍內(nèi)可增加制備數(shù)量與搭接長(zhǎng)度。
4、進(jìn)一步的，所述槽位兩端分別設(shè)有兩道筋材軸線定位片。
5、進(jìn)一步的，所述分股器端頭包含刀片，用于將復(fù)合材料筋切割成預(yù)定的搭接長(zhǎng)度和股數(shù)。
6、本發(fā)明還提供一種基于如上所述裝置的纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料筋的搭接方法，對(duì)待連接復(fù)合材料筋搭接段進(jìn)行分股交叉處理，套熱塑性樹(shù)脂套管，可選纏繞纖維增強(qiáng)層，將預(yù)處理復(fù)合材料筋置入模具，用平板硫化機(jī)加熱至樹(shù)脂軟化溫度后模壓成型。通過(guò)熱壓融合使搭接界面形成分子鏈互穿結(jié)構(gòu)，結(jié)合纖維增強(qiáng)作用，顯著提升節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能與可靠性。具體包括以下步驟：
7、s1.將限位圓柱嵌入下模定位孔并焊接固定；
8、s2.根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整分股器、搭接直徑調(diào)節(jié)器及搭接長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器，將預(yù)處理后的復(fù)合材料筋置入調(diào)節(jié)槽內(nèi)；
9、s3.通過(guò)上模限位孔與限位圓柱配合完成模具裝配；
10、s4.將裝配體置于平板硫化機(jī)面板中心區(qū)域；
11、s5.預(yù)熱平板硫化機(jī)至設(shè)定溫度；
12、s6.使用分股器將復(fù)合材料筋搭接區(qū)域切割分股，將分股后的兩段復(fù)合材料筋股束交叉重疊后套上熱塑性樹(shù)脂套管，根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)要求在搭接區(qū)域纏繞纖維布；
13、s7.將適配的搭接直徑調(diào)節(jié)器或搭接長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器置于下模對(duì)應(yīng)槽位中，放入預(yù)處理完畢的筋材；
14、s8.將上模限位孔對(duì)準(zhǔn)下模限位圓柱后按壓上模，使限位圓柱嵌入上模限位孔中；
15、s9.將組裝模具置于平板硫化機(jī)中間，合模使上面板輕微接觸上模表面并持續(xù)加熱；
16、s10.待模具升溫至設(shè)定溫度后，施加預(yù)定壓力合模壓緊搭接區(qū)域，保溫保壓一定時(shí)間后開(kāi)始降溫保壓直至樹(shù)脂固化；
17、s11.卸壓并冷卻至設(shè)定溫度后取出模具及復(fù)合材料筋；抬起上模，取出搭接完成的纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料筋。
18、進(jìn)一步的，所述下模和上模的槽位直徑適用于包括補(bǔ)強(qiáng)材料在內(nèi)的最大搭接直徑，進(jìn)行無(wú)纖維補(bǔ)強(qiáng)搭接或無(wú)補(bǔ)充樹(shù)脂熱壓搭接時(shí)，通過(guò)不同厚度的搭接直徑調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)搭接腔體直徑。
19、進(jìn)一步的，所述下模和上模所設(shè)槽位搭接長(zhǎng)度為200mm，生產(chǎn)搭接長(zhǎng)度較短的搭接試件時(shí)，使用不同搭接腔體長(zhǎng)度與搭接直徑的搭接長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器。
20、進(jìn)一步的，通過(guò)平板硫化機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)搭接過(guò)程環(huán)向均勻約束力及均勻溫度場(chǎng)的施加。
21、本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：本發(fā)明的可實(shí)現(xiàn)單次操作批量制備不同搭接直徑及補(bǔ)強(qiáng)工況的試件；通過(guò)增加搭接區(qū)實(shí)際受剪面積提升搭接強(qiáng)度，并同步實(shí)施纖維布或預(yù)浸帶環(huán)向纏繞補(bǔ)強(qiáng)，顯著增強(qiáng)界面承載力。本發(fā)明在各槽位兩端設(shè)置對(duì)稱分布的片狀限位突起以確保筋材軸向?qū)R，優(yōu)化錨固夾持精度及力學(xué)性能；配備搭接直徑調(diào)節(jié)器和搭接長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器，能夠滿足多工藝參數(shù)制備。
1.一種纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料筋的搭接裝置，其特征在于，包括熱塑性樹(shù)脂套管(2)、下模(3)、上模(4)、平板硫化機(jī)(5)、限位圓柱(6)、分股器(7)、搭接直徑調(diào)節(jié)器(8)和搭接長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器(9)；所述下模(3)設(shè)有定位孔用于固定限位圓柱(6)，且設(shè)置多個(gè)搭接槽位；所述上模(4)設(shè)有限位孔，與所述的限位圓柱(6)配合實(shí)現(xiàn)模具裝配；所述分股器(7)用于對(duì)復(fù)合材料筋(1)進(jìn)行分股處理，搭接直徑調(diào)節(jié)器(8)和搭接長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器(9)用于調(diào)節(jié)搭接槽位的尺寸，以適配不同規(guī)格的筋材搭接，將預(yù)處理后的復(fù)材筋(1)置入搭接槽位內(nèi)，所述下模(3)和上模(4)合模后置于平板硫化機(jī)(5)內(nèi)用于對(duì)復(fù)合材料筋(1)加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料筋的搭接裝置，其特征在于，所述下模(3)和上模(4)的槽位具有可組合二到三種直徑的槽位，通過(guò)增加模具寬度及長(zhǎng)度，在平板硫化機(jī)(5)尺寸范圍內(nèi)可增加制備數(shù)量與搭接長(zhǎng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料筋的搭接裝置，其特征在于，所述槽位兩端分別設(shè)有兩道筋材軸線定位片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料筋的搭接裝置，其特征在于，所述分股器(7)端頭包含刀片，用于將復(fù)合材料筋(1)切割成預(yù)定的搭接長(zhǎng)度和股數(shù)。
5.一種基于權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述裝置的纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料筋的搭接方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料筋的搭接方法，其特征在于，所述下模(3)和上模(4)的槽位直徑適用于包括補(bǔ)強(qiáng)材料在內(nèi)的最大搭接直徑，進(jìn)行無(wú)纖維補(bǔ)強(qiáng)搭接或無(wú)補(bǔ)充樹(shù)脂熱壓搭接時(shí)，通過(guò)不同厚度的搭接直徑調(diào)節(jié)器(8)調(diào)節(jié)搭接腔體直徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料筋的搭接方法，其特征在于，所述下模(3)和上模(4)所設(shè)槽位搭接長(zhǎng)度為200mm，生產(chǎn)搭接長(zhǎng)度較短的搭接試件時(shí)，使用不同搭接腔體長(zhǎng)度與搭接直徑的搭接長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器(9)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料筋的搭接方法，其特征在于，通過(guò)平板硫化機(jī)(5)的數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)搭接過(guò)程環(huán)向均勻約束力及均勻溫度場(chǎng)的施加。